【電子技術部】

ECR プラズマを用いたドライエッチングについて～ECR 発散磁場型プラズマ流ドライエッチング～
三橋１

雅彦(電子技術部)

はじめにマイクロ・ナノオーダーでの微細加工技術は半導体デバイスや各種センサー作製、あるいは MEMS (Micro ElectroMechanical Systems) を支える重要なプロセスで、大きく分けると金属や絶縁物などの薄膜材料を作製する成膜技術、ナノレベルの形状を作製するパターニング、このパターンに従い薄膜や基材などを加工・除去するエッチング（蝕刻）技術を組み合わせての工程となる。エッチングには薬液の化学反応を用いたウェットエッチングと導入ガスのプラズマ分解種との反応を用いたドライエッチングに分けられる。当部ではどちらのエッチングにも対応可能ではある

図 1 ECR エッチング装置の基本的な構造と 2 つの方式 1)
左図：ﾘｱｸﾃｨﾌﾞｲｵﾝﾋﾞｰﾑｴｯﾁﾝｸﾞ方式 右図：ECR プラズマ流方式

が、ここでは主に高密度プラズマである ECR プラズマ流方式を用いたドライエッチングについて紹介する。

よりサイクロトロン運動を行う。2.45GHz のマイクロ波の２場合、磁束密度 875G で電子サイクロトロン共鳴が起こり、衝突確立が増加し低圧力下でも高密度なプラズマが維持ECR プラズマエッチング装置

当所のドライエッチング装置としては、現在、バレル型プラズマエッチング装置、平行平板型プラズマエッチングできる。左図はリアクティブイオンビームエッチング(RIBE)方式である。プラズマ室出口の引出し電極により反装置、ECR プラズマエッチング装置の 3 方式がある。
バレル型プラズマエッチング装置の動作圧力は 10～103

応性イオンのみを積極的に引出すが、200V 以上の高電圧印加でないと実用的なイオン電流が得られないことや高Pa 程度であり、ラジカル反応が主となり等方的なエッチングとなる。主には加工精度を要しないプラズマ処理、レ電圧によるデバイスダメージなどの点から、あまり使われていない。一方、右図は ECR プラズマ流（イオンシャワー）ジスト・アッシング（除去）などが主な用途である。
平行平板型プラズマエッチング装置は容量結合型プラ方式である。イオン引出し電極は用いずにマグネットコイルの発散磁場（磁場勾配）による電界を用いている。この

ズマ:CCP (Capacitively Coupled Plasma) を活用、具体的には対向した平行平板の電極に RF 電力を印加すること場合はイオンだけでなく、電子やラジカルなどと共に流れ出てくる。この時のイオンエネルギーはおよそ 30eV 程度

によりプラズマを発生させ、本格的なパターン加工などにも広く用いられていた一般的なエッチング装置である。動である。

作圧力は数 Pa～数 10 Pa 程度で用いられることが多い。
プラズマ密度は 1010 cm-3 台程度である。

電磁コイル

ECR プラズマエッチング装置では動作圧力は 10-2～1 Pa前後と低圧であり、プラズマ密度は 1011 cm-3 以上の高密度プラズマとなる。更にプラズマ励起条件とは独立にイオンエネルギーが制御可能などの要素も加わり、CCP プラズマエッチング室と比較しても平均自由工程が長く、イオンの直進性が高まることにより、より異方性のエッチングが可能となるなど、
図 2 実際の ECR エッチング装置とプラズマ流の写真

微細加工に適したポテンシャルがある。ECR (ElectronCyclotron Resonance) は電子サイクロトロン共鳴を意味

当部の装置ではどちらの方式も対応可能ですが、基本的する。図１には ECR エッチング装置の基本的な構造と 2 つの方式を示した 1）。ECR プラズマは 2.45GHz のマイクロ波には発散磁場型プラズマ流方式を活用している。図２に装置写真とプラズマ流の写真を示す。装置写真での円柱形状を、石英ガラス・ウィンドウを通してプラズマ室に導入する。プラズマ室は電磁コイルに囲まれており、プラズマ室がプラズマ室を囲む電磁コイルであり、その横の直方体のチャンバーがエッチング室である。この様に実際にはプラ内の電子はマイクロ波の電界とそれに垂直方向の磁界にズマ室やプラズマ流は水平に出てくる構造であり、基板ホ21

KISTEC研究報告2021

【電子技術部】

ルダーは垂直な状況での設置となる。この基板ホルダーには 16.56MHz の RF 電力を印加することが可能であり、これ

表 1 各ガス種によりエッチング結果

試料によりエッチング速度は確実に向上する。

３ガス種

実験及び結果本装置のエッチング中の基板温度を調べた結果を示す。
本装置はロードロック方式での基板ホルダーをセットし、通常ではエッチング室を大気に開放しない機構となっている。その事もあり、基板ホルダーはほとんど冷却機能が働いていない状況である。エッチング時の基板温度の上昇を以下の条件で確認した。
ガス種：Ar、ガス流量：10SCCM、プラズマ励起マイクロ波電力：300W
基板バイアス(13.56MHｚ)RF 電力：25W

O2

シリコン

77.7

86.7

276.7

6.5

石英ガラス

77.7

137.7

222.7

12.6

サファイア

13.2

54.3

19.3

6.7

Al2O3 系セラ

6.5

56.0

20.6

6.3

AlN 系セラ

7.4

30.0

19.7

8.6

ポリイミド

90.0

216.7

316.7656.7

ガス種：C4F8、Ar 混合、トータルガス流量：10SCCM、
プラズマ励起マイクロ波電力：300W

140

基板バイアス(13.56MHｚ)RF 電力：20W
エッチング室圧力：1.33×10-1Pa、時間：30～60 分

120100

その結果を図４に示す。化学的に安定である Pt 薄膜では混合ガスの影響は見られず、むしろ元素としての質量が8060℃

SF6るエッチング速度への影響を調べた。エッチング条件を以下に示す。

した結果を図３に示す。エッチングはシャッターの開閉を度CF4

更には Pt 薄膜、圧電材料である PZT(Pb(Zr,Ti)O3)薄膜を被エッチング材として、混合ガス C4F8、Ar の混合比率によ

エッチング室圧力：1.33×10-1Pa
エッチング開始時から、5 分間隔で基板温度をモニター

温

エッチング速度（nm/min）Ar

大きい Ar100%でのエッチング速度がもっとも大きくなった。また、PZT 薄膜では C4F8 の場合では Ar とほぼ同等の4020エッチング速度であったが、Ar を混合し２５％の場合はほぼ２倍の速度の増加が見られた。Ar は不活性ガスであ0051015202530るので、Ar イオンアシスト効果として考えられる 2)、ただし、それ以外の比率の場合にはむしろエッチング速度が低

累積エッチング時間（min）

下しており、これはこのエッチング機構について、電気的、物理的、化学的など総合的に検討を進める必要があること

図 3 C4F8、Ar の混合ガス比率とエッチング速度

5 分間隔で行った。
グラフの横軸では冷却時間は含まずに、プラズマ流を照射した累積時間で示した。基板温度は 50と考えている。

～120℃、10℃間隔の温度表示素子（サーモラベル）をホルダー表面にとして、目視による指標の変化を観察し、読み取った。これから２０分ほどで 100℃以上になっていることが分かる。

エッチ速度

次に実際のエッチング事例を示す。シリコン単結晶、石英ガラス、サファイア、セラミックス（Al2O3 系、AlN 系）、PZT 薄膜(nm/min)Pt 薄膜

ポリイミドを各ガス種でのエッチングを行った。主なエッチング条件は以下のとおりである。
ガス種：Ar、CF4、SF6、O2、ガス流量：10SCCM、プラズマ励起マイクロ波電力：700W

C4F8／Ar 比率（％）

基板バイアス(13.56MHｚ)RF 電力：80W
エッチング室圧力：1.33×10-1Pa、時間：30 分

図 4 C4F8、Ar の混合ガス比率とエッチング速度試料である板材にシリコンウェハーの小片にてマスク固定し、エッチング後の複数個所の段差を触診式段差計
Sloan 社、Dektak3030ST にて測定し、エッチング速度の平均値としてまとめたものを表１に示す。ポリイミドとのエ【参考文献】
1. 鈴木、鵜飼、表面技術、vol.41, No.9, 6 (1990).

ッチング速度の比較データから、レジストをマスクとして用いた場合の対マスク選択比（被エッチ膜 E とマスク Er

2. J. W. Coburn, H. F. Winters, J. Appl. Phys., 50, 3189 (1979).のエッチング速度比：E/Er）を検討する上での参考データとなる。

KISTEC研究報告2021

22